Comprendre l’apparition et le développement de la vie nécessite d’étudier des roches très anciennes, vieilles de plusieurs milliards d’années. Cette quête des origines de la vie est extrêmement difficile pour deux raisons : (1) les premières traces de vie sur Terre sont microbiennes, donc extrêmement petites et (2) ces roches ont une histoire complexe, impliquant des processus qui ont modifié leurs apparences et parfois leurs compositions chimiques initiales. Heureusement, il existe encore sur Terre des roches sédimentaires laminées formées grâce à l’activité d’organismes microbiens. Ces dernières sont appelées stromatolites. Certains stromatolites sont reconnus depuis l’Archéen, soit il y a près de 3,5 Ga (pour le plus vieux spécimen découvert à ce jour), alors que d’autres sont toujours en cours de formation, par exemple dans les milieux marins peu profonds des Bahamas, de la Baie des Requins en Australie ou dans certains lacs volcaniques mexicains. Reconnaitre l’origine biologique (biogénicité) de ces stromatolites anciens est un défi pour la communauté scientifique puisqu’ils ne préservent a priori pas de microorganismes fossilisés. De plus, la structure laminée qui les rend facilement reconnaissable ne peut pas être utilisée seule comme critère de biogénicité, puisque qu’elle peut également résulter de procédés abiotiques (absence d’organismes vivants). Toutefois, les stromatolites contiennent des sulfures de fer (FeS2) micrométriques, connus sous le nom de pyrite. L’intérêt de ces pyrites réside dans leur potentiel d’enregistrer des processus de respiration microbienne à travers leurs compositions isotopiques en fer et/ou en soufre. En effet, les microorganismes ont tendance à mieux assimiler les isotopes légers (54Fe ou 32S) par rapport aux isotopes lourds (56Fe ou 34S), entrainant des différences de masse spécifiques aux différents processus microbiens. Comme le fer est un élément sensible aux réactions d’oxydation et de réduction (réactions redox), la géochimie du fer est couramment utilisée pour tracer des changements redox de l’environnement et/ou l’activité microbienne. Cette thèse se propose d’explorer la variabilité de la composition isotopique du fer des pyrites contenues dans les stromatolites à différentes périodes géologiques, afin de déterminer (1) si les pyrites peuvent être utilisées comme biosignatures, (2) l’influence et l’évolution des métabolismes microbiens utilisant le fer dans des environnements différents,
(3) la capacité des compositions isotopiques en fer à renseigner des changements redox globaux comme l’oxygénation de l’atmosphère il y a 2.4 Ga et/ou des variations de l’oxygénation de l’océan pendant des crises d’extinction des espèces (exemple avec la crise du Smithien-Spathien). Pour répondre à ces questions, une comparaison d’échantillons anciens archéens (Formation de Tumbiana, 2,7 Ga) et phanérozoïques (bassin de Sonoma, 251 Ma) a été réalisée avec des microbialites modernes provenant de Cayo Coco (Cuba) et du lac Atexcac (Mexique). Dans toutes ces formations, les pyrites ont enregistré une très grande variabilité des compositions isotopiques du fer. Dans les microbialites modernes, les compositions isotopiques du fer reflètent des processus de réduction des oxydes de fer contrôlés par des microorganismes ferri-réducteurs indépendamment des conditions chimiques de l’environnement. Les compositions isotopiques mesurées dans les sédiments du Phanérozoïque montrent un contrôle de l’environnement de dépôt (différents degrés de remobilisation des sédiments) et de la nature des dépôts (i.e. différentes signatures selon la présence ou l’absence des dépôts microbiens). Dans les échantillons archéens, la large gamme isotopique mesurée est interprétée comme résultant de procédés d’oxydation et de réduction complexes, contrôlés par l’activité des microorganismes. Cette thèse démontre l’importance de processus locaux dans la formation des pyrites préservées dans les stromatolites, comme l’influence de gradient redox à l’échelle du sédiment ou du biofilm et des différents métabolismes microbiens qui composent le biofilm. Ainsi, les pyrites associées à ces dépôts microbiens ne semblent pas permettre de reconstruire les signatures de l’environnement global. En revanche, ces pyrites peuvent être utilisées comme des biosignatures, à conditions de mener des études détaillées combinant l’isotopie du Fe, du S et minéralogie.
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Recognition of fossils in the Archean sedimentary rocks is essential to constraining when and how life evolved, and the nature of the microbial metabolisms present on early Earth. Unfortunately, preservation of microorganisms is very limited in the Archean rock record. Direct observations of Archean microfossils are not convincing, yet, indirect traces of metabolic activity are described as early as ~3.5 Ga in form of stromatolites. Stromatolites are laminated organo-sedimentary benthic structures formed by the activity of microbial communities. They represent the oldest archives of life on Earth. However, laminated structures have also been reproduced by abiotic experiments, undermining the biological origin of the ancient stromatolite specimens. This thesis work focuses on refining geochemical and isotope proxies that can be used to assess the stromatolite biogenicity. I investigated pyrite, a mineral that is ubiquitous in the stromatolite record. It is well demonstrated that in modern sediments specific microorganisms produce Fe2+ and H2S that ultimately lead to the formation of micrometric pyrite. Over the course of microbial activity and mineral precipitation, both sulfur and iron exhibit large isotope fractionations. Iron is transformed to pyrite through various aqueous and mineral species in the environment through redox-sensitive processes. Therefore Fe isotopes are used in reconstructing paleoredox conditions, diagenetic processes and/or metabolic signatures. Consequently, this thesis (1) tests if iron isotope compositions of micrometric pyrite can be used as a biosignature and (2) assesses sensitivity of Fe isotopes in pyrite with respect to global redox changes. I used a spatially resolved secondary ion mass spectrometry technique (SIMS) to develop a new analytical protocol to investigate the Fe isotope variability in pyrite smaller than 10 µm. In this thesis, samples of different age (modern, Mesozoic and Archean) have been selected to reconstruct the iron isotope variations through time and to differentiate the global versus local environmental influences on the pyrite isotope compositions. Modern samples are two microbialites collected from two different environments. Spatially resolved S isotope analyses is employed via nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) to document the large isotope ranges and its relationship to the pyrite morphology and the activity of sulfate- reducing bacteria. As one of the main findings of the thesis, Fe isotope compositions (from -3.5 to +3.5‰) measured on a micrometer scale are consistent with a microbially-mediated Fe-oxide reduction by Fe-reducing organisms. The studied here Mesozoic samples were deposited during the Smithian-Spathian boundary (SSB, ~251 Ma), an interval post-dating the end-Permian mass extinction event. According to multiple lines of evidence, the oceans experienced abrupt swings in redox state and temperature, all of which leading to a major biotic diversity crisis. During this period of major ecological stresses, microbial communities fluorished leading to deposition of a rich stromatolite record. I measured eight samples deposited along a ramp system which revealed a wide Fe isotope range (i.e. ~7‰). The δ56Fe values show a clear influence of the depositional environment and the nature of deposit, i.e. the presence of microbialite. The Fe isotope compositions collected on the Archean Tumbiana stromatolites, displayed the widest range of δ56Fe values measured in the entire Archean sedimentary pyrite record (i.e. -2.2 to +4.4‰). This exceptionally large isotope range is interpreted as the result of an intense local iron cycling within the microbial mat, including repeated cycles of partial oxidation and microbially- mediated reduction processes, related to biogeochemical carbon and sulfur cycles. All together, Fe isotope compositions of micrometric pyrite grains are likely to record synsedimentary and early diagenetic processes that occur within the sediment or in the biofilm. Importantly, the seawater column has a limited influence on the final δ56Fe values of pyrite. The δ56Fe values measured in pyrite highlight the intimate interaction between the local pools of Fe, O, C and S. The speciation and isotope compositions of these elements are affected by the microbially mediated cycling as well as the redox gradients created abiotically. Therefore, to better understand the conditions of microbialite formation through geological time, it is critical to coup e the Fe- and S-isotope measurements with detailed sedimentological and petrological studies.